近日，西北農林科技大學園藝學院阮勇凌/李明軍教授課題組在國際知名期刊Nature Plants上發表了題為“How vacuolar sugar transporters evolve and control cellular sugar homeostasis, organ development and crop yield”的研究及綜述論文，該論文首次揭示了液泡糖轉運蛋白（VSTs）在植物界中的起源和演化關系，并深入探討了VSTs在植物細胞糖穩態中的作用及其對作物產量和品質的影響，為植物科學研究和作物改良提供了新的視角和理論支持。

在植物細胞中，液泡作為重要的細胞器，承擔著多種物質的儲存和調節功能，其中糖在液泡中的儲存與運輸對植物的生長發育和產量形成具有重要影響，這一過程主要由液泡糖轉運蛋白介導完成。課題組前期以蘋果和番茄研究為例，揭示了液泡糖轉運蛋白MdERDL和TST協同調控糖在果實液泡中積累的分子機制（Zhu et al., 2021, PNAS; 2023, Nature Plants），研究成果為園藝作物品質育種和栽培管理提供了借鑒與理論指導。而且，過去的研究主要集中在質膜糖轉運蛋白上，而相對忽視VSTs的功能。近年來有許多關于VSTs的文獻報道，因此該論文聚焦VSTs開展了以下研究和分析：

1. VSTs的分類與演化關系

液泡糖轉運蛋白（VSTs）是植物細胞中負責糖在液泡與細胞質之間運輸的關鍵蛋白。根據其運輸模式和序列特征，VSTs被分為多個家族，包括TST（液泡膜糖轉運蛋白）、VGT（液泡葡萄糖轉運蛋白）、ERDL（早期干旱響應類似蛋白）家族，以及SUT/SUC IV（蔗糖轉運蛋白）和SWEET IV亞家族等。這些VSTs通過不同的轉運模式調節糖在液泡中的流入和流出，從而維持細胞內的糖穩態（圖1）。

從演化角度分析，VSTs的起源與植物從水生環境向陸生環境的適應密切相關。本研究首次揭示苔蘚植物是最早出現VSTs的植物類群，這些轉運蛋白的出現使得植物能夠更好地調節細胞內的糖穩態、水勢和細胞膨壓，從而適應陸地環境。隨著植物的進化，VSTs在不同植物類群中發生了多次基因復制和功能分化，形成了多樣化的家族成員，以適應不同的生理需求和環境壓力（圖2）。這是本文研究的一大亮點。

圖1 植物中各類液泡糖轉運蛋白的轉運模式

2. VSTs在植物生長發育和逆境響應中的功能

該部分作者用較大篇幅系統評估了VSTs在植物生長發育和逆境響應中的生物學功能。具體包括，在植物營養生長階段，VSTs通過調節糖的分配和儲存，影響光合效率、細胞擴張和器官發育等；而在生殖發育階段，VSTs對種子發育和果實糖積累及品質形成等方面具有顯著影響。此外，在干旱、低溫等逆境條件下，VSTs能夠調節細胞內的糖濃度和組成，幫助植物維持細胞的滲透壓和能量狀態，從而增強植物的抗逆性；在生物互作中，VSTs參與了植物-微生物共生（如菌根真菌）和病原防御（如腐霉病和白粉?。C制，其表達變化直接影響碳源分配，并可通過調控營養供給緩解抗病基因導致的生長抑制。

圖2 植物中液泡糖轉運蛋白的起源、基因復制與共線性關系分析

3. VSTs的功能耦合與分子調控機制

基因之間功能耦合在植物中廣泛存在，該部分主要分析了不同VSTs之間的功能耦合，主要體現在某一VST基因表達的改變會影響另一VST基因的表達，兩者通過表達模式耦合實現液泡儲存與動員的時序轉換，如液泡糖外排蛋白（ERDL）與內吸蛋白（TST）的協同調控。在分子調控方面，VSTs受多層次精密調控，轉錄層面受ABA、低溫等信號通路中轉錄因子（如AREB、CBF）的直接激活；翻譯后層面主要依賴如鈣信號通路激酶（如CIPK-CBL、CPK）的磷酸化修飾，通過改變VSTs蛋白穩定性或活性來調節跨膜運輸效率。這種從轉錄到蛋白修飾的級聯調控網絡，為作物糖分積累和抗逆性的協同改良提供了分子靶標。

4. VSTs在作物育種中的應用潛力

本文總結了VSTs的自然變異對果實品質和作物產量的顯著影響，并提議將來可利用自然變異和基因編輯技術，對VSTs進行基因編輯和表達調控，以實現對作物產量、品質和抗逆性的精準改良。

園藝學院青年教授祝令成和在讀本科生蘭錦成為論文共同第一作者，阮勇凌CJ講席教授和李明軍教授為論文共同通訊作者，趙濤教授為本論文提供了幫助和指導。該研究得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃和中國科協青年人才托舉工程等項目的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41477-025-02009-6